[한국대학신문 이정환 기자] 동국대 공과대학 에너지신소재공학과 김현석 교수 연구팀은 한국화학연구원 이상진 박사 연구팀, 울산대 정지원 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, SiOx-CNT-PTFE 하이브리드 단일 타겟을 제조하고 실리콘 산화물 기반 고성능 차세대 박막형 리튬이온 배터리용 음극활물질을 개발했다.

리튬이온 배터리에서 현재 일반적으로 흑연이 상용되고 있지만, 제한된 에너지 밀도 때문에 이를 향상시킬 수 있는 높은 용량 및 장기 수명 특성의 음극 소재 개발이 요구되고 있다.

실리콘 기반 음극 소재는 높은 이론 용량 및 낮은 전기화학적 전위 특성을 가지고 있어서 차세대 음극 소재로써 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 리튬과의 반응에 따른 실리콘 물질의 급격한 부피 변화에 의해 전극 열화가 빠르게 발생하고, 이는 실용화에 큰 어려움으로 이어지고 있다. 이를 해결하기 위하여 최근 연구 보고들에 의하면 유기물 소재의 혼합은 실리콘의 부피팽창을 억제시켜 수명 특성을 향상시키는 방법들이 보고되어지고 있다.

연구팀은 실리콘 기반 음극 소재의 성능과 수명 특성을 향상시키기 위해 실리콘 산화물 (SiOx), 탄소 나노튜브 (CNT), 테프론 (PTFE)이 혼합된 하이브리드 단일 타겟을 사용하여 박막을 제조하는 전략을 채택했다. 기존에 사용된 단일 소재로 이루어진 타겟과는 달리, 하이브리드 타겟으로 제조된 박막 전극은 실리콘의 부피팽창을 억제하는 유기물 기반 완충 소재가 혼합되어 부피 변화를 최소화했다. 이러한 새로운 형태의 박막 전극은 충전 및 방전 과정에서 발생하는 실리콘 소재의 반복되는 부피팽창에 따른 활성물질의 손실을 줄여 수명 특성을 향상시켰으며, SiOx 함량을 조절함으로써 음극활물질의 성능을 최적화했다.

김현석 교수는 “실리콘 산화물 기반 음극 소재는 흑연을 대체할 특성을 지니고 있음에도 장기 수명 특성이 부족해 박막형 리튬이온 배터리 소재로 적용하기가 힘들었다”며 “이번 연구로 인해 수명 특성을 향상시키는데 성공했으며 박막형 리튬이온 배터리 연구에 유의미한 방법을 제시해 향후 차세대 배터리 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다”라고 소감을 전했다.

해당 연구는 한국연구재단, 국가과학기술연구회, 한국화학연구원, 나노종합기술원 및 한국산업기술기획평가원의 지원으로 수행됐다. ‘Analogous Design of a Microlayered Silicon Oxide-Based Electrode to the General Electrode Structure for Thin-Film Lithium-Ion Batteries’라는 제목으로 관련 분야 학술지 〈Advanced Materials 〉(IF : 32.086) 지난 1월 온라인에 게재됐고 Front cover에 선정됐다.